鼓泡流化床污泥锅炉及其燃烧工艺

技术领域：

本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种鼓泡流化床污泥锅炉及其燃烧工艺。

背景技术：

在环境保护技术领域，污泥的处理是一项至今难以解决的技术难题，污泥燃烧更是难以实现，以至现在国内的锅炉燃烧污泥只能采用掺煤燃烧方式运行，锅炉纯烧污泥技术仍属待填补的技术空白。

锅炉燃烧污泥的过程为：含水份80％的污泥经压滤后水份达到50--60％，再经烘干后水份小于40％或者运用先进技术直接压滤至40％以下，最后经破碎，颗粒小于10mm，通过给料机送入炉膛；空气通过空气预热器进行热交换被加热到一定温度，再经过风道、布风板及风帽进入炉膛；污泥与热风在炉膛内充分混合并强烈燃烧，产生的烟气经分离器出口，进入尾部烟道。烟气经过过热器、省煤器换热后，产生用户所需要的蒸汽。换热后的烟气再经过空气预热器以及烟气处理后达标排入大气中。

对于高水份、低热值的污泥，要想保证锅炉燃烧稳定，炉膛除了要有足够的氧气外，还需保持一定的温度场，若低于该温度场，燃烧不充分甚至熄火；若高于该温度场，则容易结焦。

那么如何保证炉膛温度在这一温度场范围之内，是污泥锅炉设计的核心所在。

污泥的共同特点是水份高，颗粒细，难以燃烬。同时污泥的来源不一样，性质不一样，有机质含量不一样，从而导致污泥的发热量也不一样。所以在设计污泥锅炉时，要与普通的燃煤锅炉区别对待，不能照搬照抄，而是要根据燃料的特性来设计锅炉。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：解决上述背景技术存在的问题，而提供一种纯烧污泥的鼓泡流化床污泥锅炉及其燃烧工艺，实现下列4个指标：

1、达到额定负荷；

2、达到理想的热效率；

3、氮氧化物排放达标；

4、一氧化碳排放达标。

本发明采用的技术方案是：

一种鼓泡流化床污泥锅炉，包括炉膛、布风板、风帽、鼓风室、给料斗、锅筒、高温除尘分离器、高温过热器、低温过热器、高温省煤器、低温省煤器和空气预热器，布风板、风帽、鼓风室安装在炉膛下部，给料斗安装在炉膛前部，锅筒安装在炉膛顶上，高温过热器、低温过热器、高温省煤器、低温省煤器和空气预热器依次连接连通，空气预热器的空气预热出风管道与炉膛下部的鼓风室连接连通，本发明在炉膛上部烟气出口与高温过热器之间增设高温除尘分离器，高温除尘分离器一侧与炉膛上部烟气出口相连通，高温除尘分离器的顶部烟道与高温过热器连接连通，高温除尘分离器底端与炉膛下部连接连通；炉膛内壁采用复合保温耐火浇注料全覆盖；炉膛下部布置有横埋管；炉膛内有效容积除以锅炉吨位的吨汽有效容积设计在15m

上述技术方案中，在炉膛内设有炉膛温度传感器，在高温除尘分离器的下方安装有温控装置和返料器，炉膛温度传感器的温度信号输出连接温控装置，温控装置的控制信号输出连接并控制返料器。

一种鼓泡流化床污泥锅炉的燃烧工艺，包括：

1)、采用鼓泡流化床锅炉燃烧污泥；

鼓泡流化床锅炉俗称沸腾炉，又称低倍率循环流化床，一般都带有埋管，流化速度都在3.5m/s以下，因为流速低，密相区呈喘流状态，并出现大量的气泡，所以通常称之为“鼓泡床”；

与之相对应的循环流化床，又称高速床，燃烧区的流化速度都在6.5m/s以上，呈现气体输送状态，无气泡。鼓泡床与流化床的根本区别在于燃烧时，是否有气泡产生；

原来的鼓泡床无分离器，所以燃烧效率较低，鼓泡床的流速低，床面积大，限制了炉型不能大型化，但鼓泡流化床增设了分离器之后，可以将分离下来的粗颗粒返回炉膛继续燃烧，从而使燃烧更充分，提高了燃烧效率和热效率，也降低了尾部受热面的磨损。

2)、鼓泡流化床锅炉燃烧污泥时炉膛烟气流速控制在0.5m/s～2m/s；

这是由于污泥颗粒细，如烟气流速过高，容易扬析出炉膛，为了让污泥充分燃烧，稳定燃烧，炉膛的截面烟气流速选定在0.5m/s—2m/s；这样既保证了烟气在炉膛内的停留时间，也使得返回炉膛的细颗粒不容易扬析至主燃区外，既有利于污泥的一次燃烬，也有助于返料灰的二次燃烧；

3)鼓泡流化床锅炉燃烧污泥时，烟气在炉膛的停留时间应在10s以上；

这是由于污泥燃烧后颗粒细而轻，所以分离器难以捕捉，即使反复循环烧，也无法达到理想的效果，所以要保证燃料在炉膛内一次性燃烬，即需要保证烟气在炉膛的停留时间10s以上。普通的循环流化床锅炉因增加了循环倍率，在炉膛内停留时间也只有3s左右。所以燃烧效果较普通炉型得到了大大增强，燃烬率也得到了提高；

4)鼓泡流化床锅炉燃烧污泥时炉膛温度设定为850℃-950℃；

这是由于炉膛温度若低于850℃，燃烧不充分，甚至易熄火，而炉膛温度若高于950℃，则容易结焦；

5)在炉膛内将风帽小孔中心线到炉膛出口中心线之间、并且温度在850℃-950℃之间的容积称之为有效容积，将有效容积除以锅炉的吨位称之为吨汽有效容积，本发明燃烧污泥的鼓泡流化床锅炉的吨汽有效容积设计在15m

这样才能保证烟气有足够的停留时间；因为目前烟气停留时间只有少数专业人员才能计算，根据多年的经验公式：烟气停留时间＝吨汽有效容积×0.7，那么要想烟气停留时间长，则吨汽有效容积比例是正比例增大的。

6)、对于燃烧发热量1200kcal/kg以上的污泥，，鼓泡流化床锅炉的炉膛下部必须布置横埋管；

对于燃烧发热量1200kcal/kg以下的污泥，一般采用焚烧炉+余热锅炉模式，这种方式比较成熟。

但对于燃烧发热量1200kcal/kg以上的污泥，因输入热量大，继续采用焚烧炉+余热模式，经济效益性不好，而且烟气处理难度大。所以鼓泡流化床锅炉的炉膛下部必须布置横埋管；若不带埋管，主燃区会超温，从而导致结焦。而且如果想要保证锅炉的出力能力，不带埋管，而采用在炉膛内布置水冷壁受热面，会导致炉膛内温度差不稳定，进而导致燃烧效果不佳，甚至熄火。

只有在炉膛下部布置横埋管，依靠横埋管吸热来控制鼓泡流化床主燃区的温度，即保证了锅炉稳定燃烧，又保证锅炉的负荷。

7)、对炉膛内壁换热面采用复合保温耐火浇注料进行全覆盖，将整个炉膛构造为一个保温区；

由于燃烧污泥必须保证炉膛温度在850℃-950℃之间，但炉膛已布置了横埋管，所以主燃区的温度已通过横埋管吸收了一部分热量，若炉膛水冷壁再进一步吸收炉膛内温度，则势必造成炉膛内温度过低，影响燃烧的稳定性。为了保证燃烧温度在上述范围内，所以本技术需要对炉膛内壁换热面进行全部覆盖，将整个炉膛构造成为一个保温区。整个燃烧过程除横埋管换热外，其它部位则近似于一个绝热燃烧过程，确保燃烧温区合理，燃料状态稳定；

燃用污泥的鼓泡流化床锅炉，因为吨汽有效容积是普通流化床锅炉的3倍，然后外壁的面积也相当于普通流化床锅炉的3倍。目前普通流化床只需用普通的耐火浇注料覆盖，覆盖后的膜式壁的水冷度为0.3，就可以保证炉膛温度场合理。如果污泥的鼓泡流化床锅炉继续采用同样程度的浇筑，那么锅炉将会因为面积过大，散热严重，从而无法保证炉膛温度。所以本技术须采用复合保温耐火浇注料全覆盖，使膜式壁的水冷度在0.1以下。通过此措施后，效果将优胜于普通流化床锅炉保温效果；

8)通过高温除尘分离器分离下来的灰返回炉膛重新燃烧，但当炉膛温度低于800℃时，高温除尘分离器的返料器停止返料；

高温除尘分离器分离下来的灰返回炉膛重新燃烧有助于燃料燃尽，但污泥的灰量大，发热量又不稳定，若将燃烧过程中的返料灰全部返回炉膛，因返料灰温度低，势必会降低炉膛温度，影响污泥燃烧的稳定性，所以污泥焚烧返料灰采用上述灵活返料方式；因本发明已预留了足够的烟气停留时间，所以，上述灵活返料方式能使返料灰的含碳量在可控范围之内，不会造成超标。

上述技术方案中，所述燃烧发热量1200kcal/kg以上的污泥，鼓泡流化床锅炉的炉膛下部布置横埋管的对应关系如下：

上述技术方案中，所述复合保温耐火浇注料的导热系数≤0.07W/(m.k)，耐火度≥1300℃。

上述技术方案中，所述复合保温耐火浇注料由下述部分组成，分别是骨料和粉料、结合剂及外加剂，其中骨料约占70％-80％，骨料为含AL

上述技术方案中，所述外加剂为稀土铼，占0.01％。

实验数据

本发明在湖南郴州宜章县纸厂1台10t/h鼓泡流化床锅炉进行纯污泥燃烧试验，其实验数据如下：

本发明通过上述工艺方法和试验，实现了鼓泡流化床锅炉燃烧纯污泥的成功，填补了国内锅炉燃烧纯污泥的空白，改变了现有技术燃烧污泥要掺煤运行的高能耗方法，本发明通过试验实现了下述性能指标：

1.确保达到了额定负荷，并有10％的超负荷能力；

2.热效率确保在80％以上；

3.氮氧气化物原始排放小于100mg/Nm

4.一氧化碳原始排放小于80mg/Nm

附图说明：

图1为本发明的鼓泡流化床污泥锅炉结构示意图。

附图标注：

1—炉膛，2—布风板，3—风帽，4—给煤斗，5—横埋管，6—炉膛温度传感器，7—温控装置，8—复合保温耐火浇注料，9—高温除尘器，10—炉膛上部压力测点，11—锅筒，12—高温过热器，13—低温过热器，14—高温省煤器，15—低温省煤器，16—空气预热器，17—返料器，18—鼓风室。

具体实施方式：

参见图1，本发明的鼓泡流化床污泥锅炉，包括炉膛1、布风板2、风帽3、鼓风室、给煤斗4、锅筒、高温除尘分离器、高温过热器12、低温过热器13、高温省煤器14、低温省煤器15和空气预热器16，布风板2、风帽3、鼓风室安装在炉膛下部，给煤斗4安装在炉膛1前部，锅筒11安装在炉膛1顶上，高温除尘分离器一侧与炉膛上部烟气出口相连通，高温除尘分离器的顶部烟道与高温过热器12连接连通，高温过热12器、低温过热器13、高温省煤器14、低温省煤器15和空气预热器16依次连接连通，空气预热器16的空气预热出风管道与炉膛下部的鼓风室连接连通，高温除尘分离器底端与炉膛下部连接连通；本发明的炉膛内壁采用复合保温耐火浇注料全覆盖；炉膛1下部布置有横埋管5；炉膛1内有效容积除以锅炉吨位的吨汽有效容积设计在15m

上述技术方案中，在炉膛1内设有炉膛温度传感器6，在高温除尘分离器的下方安装有温控装置7和返料器17，炉膛温度传感器6的温度信号输出连接温控装置7，温控装置7的控制信号输出连接并控制返料器17。

本发明的鼓泡流化床污泥锅炉的燃烧工艺，包括：

1)、采用鼓泡流化床锅炉燃烧污泥；

2)、鼓泡流化床锅炉燃烧污泥时炉膛烟气流速控制在0.5～2m/s；

3)鼓泡流化床锅炉燃烧污泥时，烟气在炉膛的停留时间应在10s以上；

4)鼓泡流化床锅炉燃烧污泥时炉膛温度设定为850-950℃；

5)在炉膛内将风帽小孔中心线到炉膛出口中心线之间、并且温度在850-950℃之间的容积称之为有效容积，将有效容积除以锅炉的吨位称之为吨汽有效容积，本发明燃烧污泥的鼓泡流化床锅炉的吨汽有效容积设计在15m

6)、对于燃烧发热量1200kcal/kg以上的污泥，鼓泡流化床锅炉的炉膛下部必须布置横埋管；

7)、对炉膛内壁换热面采用复合保温耐火浇注料进行全覆盖，将整个炉膛构造为一个保温区；

8)通过高温除尘分离器分离下来的灰返回炉膛重新燃烧，但当炉膛温度低于800℃时，高温除尘分离器的返料器停止返料；

下面对本发明的具体实施作进一步说明：

1、所述“鼓泡流化床污泥锅炉”中的“鼓泡”具体说明如下：

鼓泡床，俗称沸腾炉，又称低倍率循环流化床，一般都带有埋管，流化速度都在3.5m/s以下，因为流速低，密相区喘流状态，出现大量的气泡，所以通常称之为“鼓泡床”。

与之相对应的循环流化床，又称高速床，燃烧区的流化速度都在6.5m/s以上，呈现气体输送状态，无气泡。鼓泡床与流化床的根本区别在于燃烧时，是否有气泡产生。

原来的鼓泡床无分离器，所以燃烧效率较低，鼓泡床的流速低，床面积大，限制了炉型不能大型化。但鼓泡流化床增设了分离器之后，可以将分离下来的粗颗粒返回炉膛继续燃烧，从而使燃烧更充分，提高了燃烧效率和热效率，也降低了尾部受热面的磨损。

2、本发明规定的炉膛内烟气流速在0.5-2m/s为：

当锅炉的蒸发量确定时，锅炉所需的烟气量也随之确定。比如常规的蒸汽1t/h，锅炉炉膛约需要烟气量1.43m

根据公式：烟气量＝流通截面积*烟气流速，所以当蒸发量一定时烟气量一定，设计人员主要通过改变烟气的流通截面积，也就是锅炉的炉膛截面积，来改变烟气流速。炉膛截面积越大，烟气流速越小。反之，炉膛截面积越小，烟气流速越高。

鼓风量，是确保燃烧时有足够的氧气量，与燃料量有关，即与蒸发量成正比关系。蒸发量大，则鼓风量越大。风压主要料层、与炉膛及尾部烟道的阻力相关联，鼓风量与烟气流速关联不大。

3、本发明是怎样实现烟气在炉膛内停留时间在10s以上的：

从公式可知：路程＝速度*时间，即烟气在炉膛内的停留时间＝炉膛的高度/烟气流速。所以当炉膛高度一定时，停留时间与烟气速度成反对关系，烟气流速越高，停留时间越短。

对于高倍率的循环流化床而言，设计人员试图通过提高循环倍率使捕捉下来的细颗粒反复循环，以增加未燃烬颗粒在炉内的停留时间。但这一点对于污泥来说，效果有限。污泥颗粒细、密度小，主燃物以挥发份为主，其大量的灰分离器无法捕捉。而且如果炉膛内烟气流速高，扬析大，返回炉膛的灰也会迅速被带离出炉膛，来不及参与燃烧。所以达不到延长炉内停留时间的效果。

鼓泡流化床污泥锅炉可以通过降低烟气流速，使烟气在炉内停留时间达10s以上，实现污泥的一次性充分燃烧。如以一台40t/h锅炉为例，烟气流速2m/s，炉膛高24米，烟气及

未燃烬颗粒在炉内停留时间可达10s以上。

普通的循环流化床锅炉的炉膛烟气流速5.5-6m/s，烟气停留时间约在3-3.5s。

4、本发明实现吨汽有效容积在15立方米以上的具体实施方式如下：

实现吨汽有效容积在15立方米以上，一般通过炉膛高度和截面积来实现。所以既要实现烟气流速低，又要保证炉膛有效容积，则需要炉膛做得又高又大。比如一台40t/h污泥锅炉，其有效容积要在600m

5、本发明将现有炉膛水冷壁采用复合保温耐火烧注料全覆盖是：

本发明仍然采用的锅炉结构，所以炉膛水冷壁仍然存在。只是基本上不再承担受热面的工作，即基本上不再与烟气换热。所以需要性能优良的浇筑材料及工艺措施，将炉膛内部全覆盖。否则又高又大的炉膛，会大量吸热及散热，炉膛温度无法保证，运行稳定性及运行效果也无法实现。

下面举三个炉子具体实施例：

三台本发明鼓泡流化床污泥锅炉燃用1500kcal/kg污泥实施例：

三台现有技术燃用4500kcal/kg贫煤的高速流化床项目对照例：